基于低-高-低肋条流体力学超表面的高效湍流减阻研究

本文提出一种受风蚀地貌雅丹启发的新型被动式流体力学超表面结构——低-高-低肋条（LHLRs），通过实验和直接数值模拟（DNS）验证其湍流减阻性能较鲨鱼皮肋条提升91.6%，且抗偏航角鲁棒性增强至45°。该结构通过抑制近壁湍流穿透、延迟二次涡形成及优化湍流分布，突破传统肋条减阻极限，为能源装备（如风力涡轮机）能效提升提供新策略。

　　

Section snippets

Models of the low-high-low riblet (LHLR) metasurface

针对湍流表面减阻，合理的流体力学超表面设计至关重要。研究表明，当涡流直径介于肋条间距的2至3倍时，肋条可达到最佳减阻效果。若流向涡直径小于肋条间距，则需采用半尺寸肋条以抬升湍流涡结构。肋条的主要参数包括间距（s）、高度（h）和顶角（α），其性能通过无量纲参数√A⁺（沟槽截面积的平方根）评估。

Validation of experimental and numerical methods

在开展样品减阻性能实验前，需对实验装置的密封性和精度进行验证。通过重复测量光滑硅片样品（Ra=0.7nm）的压力差，并与充分发展的泊肃叶流理论值对比（图9），确认实验系统可靠性。

Conclusions

综上所述，本研究揭示了基于LHLRs的流体力学超表面提升湍流减阻性能的机制。LHLRs可实现12.5%的减阻率，较鲨鱼皮肋条提升91.6%，且突破传统肋条减阻极限，增强了对流向变化的鲁棒性。近壁湍流运动分析表明，LHLRs通过弱化内部湍流输运、抑制湍流穿透、延迟近壁二次涡形成，从而降低分散应力并优化湍流分布。